JP4111905B2 - 掘削推進装置 - Google Patents

Description

この発明は、地中に埋設管を敷設するための掘削推進装置に関するものである。

一般に、埋設管を敷設するための掘削推進装置は、カッタ駆動用モータ等が内装される筒体と、この筒体の先端に付設されるカッタとを備える。しかしながら、曲線施工を行う際において、この筒体の中心と、カッタのカッタヘッド回転中心とが一致している場合では、イン側の余堀量が少なくなると共に、アウト側の余堀量が多くなってくる。そこで、従来では、カッタの回転軸を筒体の中心に対して屈曲方向に偏心させて、イン側の余堀量が不足しないと共に、アウト側の余堀量を少なくするようににするものがある（特許文献１参照）。

すなわち、上記特許文献１に記載の掘削推進装置（シールド掘進装置）は、図８に示すように、掘削用のカッタ５１を回転自在に支持する前胴５２と、この前胴５２を首振り自在に支持する後胴５３とを備え、ジャッキ５４にて、前胴５２を後胴５３に対して屈曲させるものである。そして、前胴５２の先端部を全体的に径方向の一方に屈曲させると共に、カッタ５１の回転軸Ｌを前胴５２に対して屈曲方向に偏心させている。なお、図８において、５５はカッタ駆動用モータである。
実公平８−６８６７号公報（第２−３頁、第1図）

しかしながら、上記図８に示すようなシールド掘進装置では、大径の埋設管を埋設する場合においては対応することができるが、埋設管の先端に先導体を付設する推進工法等に用いる小口径推進機において対応させるのが困難である。すなわち、小口径であれば、装置内部構造のためのスペースに余裕がなく、上記のような構造に採用は困難であり、また、量産品においては、個別対応設計及び製作する部位が増加してコスト高となる。さらに、カッタ５１はイン側において突出しているので、リターン回収方式を適さない。すなわち、リターン回収方式を採用する場合には、カッタ５１を拡縮可能構造とする必要がある。しかしながら、このようにカッタ５１がイン側において突出している場合には、その拡縮量を大きくとる必要があって、小口径において、このように拡縮量を大きくとる拡縮機構の採用が困難であるからである。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、曲線施工において、イン側の余堀量及びアウト側の余堀量の適正化を図ることができ、しかも、小口径に対応することができると共に、低コスト化を達成できる掘削推進装置を提供することにある。

そこで請求項１の掘削推進装置は、地中に埋設管１を敷設するための掘削推進装置であって、カッタ駆動用モータ１３が内装されると共に、外径が上記埋設管１の外径よりも小さい先導管本体３と、上記先導管本体３の先端に、回転軸心Ｏ２が先導管本体３の軸心Ｏと略一致するように付設されるカッタヘッド４と、外径が上記埋設管１の外径と略同一に設定されて、この埋設管１の先端に接続される外筒２とを備え、上記カッタヘッド４を上記外筒２の先端から突出突出させた状態で、かつ上記外筒２の前側に内径側膨出部５ａを設け、上記内径側膨出部５ａの肉厚を、曲線施工時においてイン側となる部分をアウト側となる部分よりも小さく設定することにより、先導管本体３を上記外筒２に対して偏心させた状態で収納したことを特徴としている。

上記請求項１の掘削推進装置では、カッタヘッド４が、先導管本体３の先端に、回転軸心Ｏ２が先導管本体３の軸心Ｏと略一致するように付設され、また、カッタヘッド４を外筒２の先端から突出するように、先導管本体３を外筒２に対して偏心させた状態で収納したので、曲線施工において、イン側とアウト側の余堀量を調整することができる。すなわち、外筒２に対してイン側に先導管本体３を偏心させることにより、イン側の余堀量が不足しないと共に、アウト側の余堀量を少なくするようにすることができる。また、先導管本体３の先端に、回転軸心Ｏ２が先導管本体３の軸心Ｏと略一致するように付設されるものであるので、既存の直線掘削用の先導管本体３とカッタヘッド４等からなるユニット体Ｕをそのまま使用することができる。

請求項２の掘削推進装置は、上記カッタヘッド４の外径の拡縮を可能として、拡大時には埋設管１の敷設可能径に拡大すると共に、縮小時には少なくとも上記先導管本体３と略同一となるように縮小することを特徴としている。

上記請求項２の掘削推進装置では、カッタヘッド４は拡大時には埋設管１の敷設可能径に拡大するので、この状態でカッタヘッド４を回転駆動させれば、このカッタヘッド４にて埋設管１に敷設が可能な埋設用孔部を形成することができる。また、カッタヘッド４は縮小時には少なくとも上記先導管本体３と略同一となるように縮小するので、このように縮小させれば、カッタヘッド４は先導管本体３の外面（外周面）よりも外径側に突出せず、先導体本体３とカッタヘッド４等からなるユニット体Ｕの後方（埋設方向と反対方向）への引き抜きが可能となる。

請求項３の掘削推進装置は、上記先導管本体（３）は、前胴（１０）と後胴（１１）を有し、後胴（１１）に対して前胴（１０）が揺動可能であり、上記外筒（２）は、前ケーシング（５）と後ケーシング（７）を有し、前ケーシング（５）と後ケーシング（７）との間に弾性部材からなる中間ケーシング（６）が介在されてなることを特徴としている。また、請求項４の掘削推進装置は、上記外筒２の先端縁部の外周面を先細テーパ部４２としたことを特徴としている。

上記請求項３の掘削推進装置では、敷設しようとする敷設孔の曲率半径に略一致するように、先導管本体３の前胴１０を後胴１１に対して揺動させて、先導管本体３を湾曲状とする際、外筒２は、その中間ケーシング６が屈曲してその湾曲に追随する。また、請求項４の掘削推進装置では、外筒２の先端縁部の先細テーパ部４２にて、アウト側の余堀量を確保することができる。また、先細テーパ部４２が掘削孔のアウト側の内面を押圧することによって、この先端部において、曲率中心方向へのモーメントが発生する。

請求項１の掘削推進装置によれば、イン側の余堀量が不足しないと共に、アウト側の余堀量を少なくするようにすることができる。このため、イン側の余堀量不足による推進抵抗の増大を防止できて、曲線掘進不能状態となるのを回避できると共に、過剰なアウト側の余堀による地盤沈下や方向制御不良等となることを防止（解消）することができる。しかも、掘削断面積を小さくすることが可能であり、排出される土砂を少なくすることができる。また、既存の直線掘削用の先導管本体とカッタヘッド等からなるユニット体をそのまま使用することができるので、低コストにてこの掘削推進装置を提供することができる。さらに、敷設する埋設管の曲率半径が相違しても、ユニット体をそのまま使用して、外筒のみを変更して対応することができ、施工単価の低減を達成できる。

請求項２の掘削推進装置によれば、先導体本体とカッタヘッド等からなるユニット体の後方（埋設方向と反対方向）への引き抜きが可能となる。このため、リターン回収方式の推進機として使用することができる。しかも、カッタヘッドは、先導管本体の先端に、回転軸心が先導管本体の軸心と略一致するように付設されるので、このカッタヘッドの拡縮量は少なくて済み、拡縮機構の小型化を図って、小口径の掘削推進装置に対応することができる。

請求項３の掘削推進装置によれば、敷設しようとする敷設孔の曲率半径に略一致するように、先導管本体３と外筒２とを湾曲形状に容易に追随させことが可能である。また、請求項４の掘削推進装置によれば、アウト側の余堀量を確保することができる。すなわち、アウト側の余堀量が不足することがなく、安定した掘削を行うことができる。また、曲率中心方向へのモーメントが発生するので、推進抵抗の増大を防止してなめらかな曲線施工を行うことができる。

次に、この発明の掘削推進装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は掘削推進装置の要部断面図である。この掘削推進装置は、地中内に埋設管１を敷設するためのものであって、埋設管１の外径と略同一の外径を有しその埋設管１の先端に接続される外筒２と、この外筒２に収納状とされる先導管本体３と、この先導管本体３の先端部に付設されるカッタヘッド４とを備える。

外筒２は、前ケーシング５と中間ケーシング６と後ケーシング７とを有する。この場合、前ケーシング５と後ケーシング７との間に介在される中間ケーシング６は、ゴム等の弾性部材からなり、後ケーシング７に対する前ケーシング５の揺動を許容する。また、後ケーシング７は、その後端部において連結部材（係合部材）８を介して上記埋設管１の先端に連結される。この場合、外筒２の外径を埋設管１の外径と略同一に設定する。なお、前ケーシング５は先端側に内径側膨出部５ａを有し、この内径側膨部５ａの肉厚を、後述する曲線施工においてイン側となる部位よりもアウト側となる部位を大としている。

先導管本体３は前胴１０と後胴１１とを有し、揺動用ジャッキ１２により後胴１１に対して前胴１０が揺動する。また、前胴５にはカッタ駆動用モータ１３が収納されている。この際、前胴１０と後胴１１との連結部（揺動部）１４が外筒２の中間ケーシング部６に対応する。

また、先導管本体３には、機内に取り込まれた掘削土砂を排出する排土装置１５が配置されている。排土装置１５は、先導管本体３の中心線に沿って配設されるケーシング１６と、このケーシング１６に挿入されるスクリュウコンベア１７とを備え、スクリュウコンベア１７は、その軸部材１８の後端に連結される駆動用モータ１９の駆動により回転する。なお、この場合、スクリュウコンベア１７等は複数の分割体からなり、先導管本体３の屈曲に追随する。

カッタヘッド４は、上記カッタ駆動用モータ１３の駆動により、その軸心Ｏ２（図３参照）を中心として回転するものであって、その前面に複数のディスクカッタ２０・・を備えている。そして、複数のディスクカッタ２０・・のうち、軸心Ｏ２に関して対称に配置される一対のディスクカッタ２０ａ、２０ａは支持部材２１、２１に支持され、この支持部材２１、２１が、先導管本体３の先端側から突設された支持部（ブラケット）２２、２２に、枢支軸２３、２３を介して枢結されている。すなわち、図１に示す状態から、支持部材２１を枢支軸２３を中心に矢印Ａ方向に揺動させることによって、図２に示すように、ディスクカッタ２０ａの外端縁部が先導管本体３の外周よりも突出しない縮小（縮径）状態とすることができ、また、この図２に示す状態から支持部材２１を枢支軸２３を中心に矢印Ｂ方向に揺動させることによって、図１のように、ディスクカッタ２０ａの外端縁部が外筒２の外周面と略一致するまで拡大（拡径）する。

ところで、上記ディスクカッタ２０ａの拡縮は拡縮機構２５を介して行われる。すなわち、拡縮機構２５は、軸部材１８に挿通されるシャフト２６と、このシャフト２６の先端部に連結されるリンク部材２７と、このシャフト２６を軸心方向に沿って往復動させるジャッキ２８とを備える。すなわち、図１に示す状態から、ジャッキ２８にてシャフト２６を後方側（埋設管側）にスライドさせれば、リンク部材２７を介してシャフト２６の先端部と連結されているディスクカッタ２０ａは、枢支軸２３を中心に矢印Ａ方向に揺動して、径方向内方へ移動して、図２に示すように、このカッタヘッド４の外径が先導管本体３の外径とほぼ同じカッタ縮小状態となる。また、図２に示す状態から、ジャッキ２８にてシャフト２６を前方側（反埋設管側）にスライドさせれば、ディスクカッタ２０ａは、枢支軸２３を中心に矢印Ｂ方向に揺動して、径方向外方方へ移動して、図１に示すように、このカッタヘッド４の外径が外筒２の外径とほぼ同じカッタ拡大状態となる。なお、排土機構１５のケーシング１６の後端部には排土管２９が接続され、この排土管２９を介して排土機構１５にて後方側へ搬送される排土をさらに後方へ排出する。

また、先導管本体３の後端には図５と図６に示すような略円弧状板材からなる一対の推進力伝達部材３０ａ、３０ｂが配置されている。この推進力伝達部材３０ａ、３０ｂの相対応する端部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂがジャッキ３３、３４を介して連結されている。また、各端部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂにはガイド部材３５・・が嵌合している。このため、ジャッキ３３、３４のロッド３３ａ、３４ａを、図６に示すような縮んだ状態から図５に示すように伸ばせば、各推進力伝達部材３０ａ、３０ｂが相互に離れる方向にガイド部材３５・・に案内されて移動する。また、この図５に示すように、ジャッキ３３、３４のロッド３３ａ、３４ａが伸びた状態から図６に示すように、縮めれば、各推進力伝達部材３０ａ、３０ｂが相互に接近する方向にガイド部材３５・・に案内されて移動する。

ところで、外筒２と埋設管１とを連結する上記連結部材８には、係合溝３６、３６が設けられ、図５に示すように、推進力伝達部材３０ａ、３０ｂが相互に離れる方向に移動した状態で、各係合溝３６、３６にそれぞれの推進力伝達部材３０ａ、３０ｂが係合する。また、図６に示すように、推進力伝達部材３０ａ、３０ｂが相互に接近した方向に移動した状態では、各係合溝３６、３６から推進力伝達部材３０ａ、３０ｂの係合状態が解除される。

上記に示すように構成される掘削推進装置は、カッタ駆動用モータ１３や排土装置１５等が収納された先導管本体３と、カッタヘッド４等が一体化されてユニット体Ｕが構成され、このユニット体Ｕが外筒２に挿入されることになる。この場合、カッタヘッド４を外筒２の先端から突出するように、先導管本体３を外筒２に対して偏心させた状態で収納する。すなわち、図３に示すように、ユニット体Ｕの軸心、つまり先導管本体３の軸心Ｏと外筒２の軸心Ｏ１とをずらせている。これは、上記したように、外筒２の前ケーシング５の内径側膨出部５ａの肉厚を、曲線施工時おいてイン側となる部分をアウト側となる部分よりも小さく設定しているので、図３に示すように、ユニット体Ｕの軸心Ｏを外筒２の軸心Ｏ１よりもイン側に、所定の偏心量Ｓだけずらせることができる。

次に、上記のように構成された掘削推進装置を使用して、埋設管１を敷設する方法を説明する。まず推進力伝達部材３０ａ、３０ｂを相互に接近させた状態で、外筒２にユニット体Ｕを挿入（嵌入）して、推進力伝達部材３０ａ、３０ｂを相互に離れるように拡径状として、図５に示すように、各推進力伝達部材３０ａ、３０ｂを連結部材８の係合溝３６、３６に係合して、埋設管１と外筒２とユニット体Ｕとを連結する。次に、縮径状態にあるカッタヘッド４をジャッキ２８にて拡径状態（つまり、カッタヘッド４の外径を埋設管１の外径とほぼ同じであって、埋設管１の敷設可能径となる状態）とする。この場合、曲線施工を行うものであるので、ジャッキ１２を作動させて、先導管本体３の前胴１０を後胴１１に対して揺動させて、先導管本体３を湾曲状とする。すなわち、埋設管１を敷設しようとする敷設孔の曲率半径に略一致するように、先導管本体３を湾曲させる。この際、外筒２は、その中間ケーシング６が屈曲してその湾曲に追随する。

この状態で、カッタ駆動用モータ１３を駆動させてカッタヘッド４を回転させつつ、図示省略の推進装置にて埋設管１の後端面を押圧して、例えば発進立坑から埋設管１を地中に押しこんでいく。この際、埋設管１から推進力が推進力伝達部材３０ａ、３０ｂ及び連結部材８を介して外筒２及びユニット体Ｕに推進力が伝達される。このため、カッタヘッド４にて、外径２の外径と略同一の径での曲線掘進することができ、外筒２及び埋設管１が地中に貫入される。その後、この埋設管１の貫入が完了すれば、次の埋設管１が前回の埋設管１に接続され、この接続された埋設管１の後端を上記図示省略の推進装置を使用して押圧して、この埋設管１も地中に敷設する。以後同様の工程を行って、敷設すべき埋設管１の貫入作業が終了すれば、敷設作業が終了する。なお、この敷設作業中においては、カッタヘッド４内に取り込まれる掘削土砂は、上記排土装置１５にて排土管２９の供給されて、後方に搬送される。

そして、このような曲線施工では、上記掘削推進装置は、ユニット体Ｕの軸心Ｏが外筒２の軸心Ｏ１に対して、イン側に所定の偏心量Ｓだけ偏心した状態となっている。このため、このような曲線施工において、イン側の余堀量が不足しないと共に、アウト側の余堀量を少なくするようにすることができる。すなわち、外筒２の中心（軸心）と、カッタヘッド回転中心とが一致している場合では、イン側の余堀量が少なくなると共に、アウト側の余堀量が多くなってくる。そこで、この装置では、ユニット体Ｕの軸心Ｏが外筒２の軸心Ｏ１に対して、イン側に所定の偏心量Ｓだけ偏心させることによって、イン側の余堀量が不足せず、かつアウト側の余堀量が多くなり過ぎないようにすることができる。また、先導管本体３の先端に、回転軸心Ｏ２が先導管本体３の軸心Ｏと略一致するように付設されるものであるので、既存に直線掘削用の先導管本体３とカッタヘッド４等からなるユニット体Ｕをそのまま使用することができる。

さらに、カッタヘッド４は拡大時には埋設管１の敷設可能径に拡大するので、この拡大状態で、カッタヘッド４を回転駆動させれば、このカッタヘッド４にて埋設管１に敷設が可能な埋設用孔部を形成することができる。また、カッタヘッド４は縮小時には少なくとも上記先導管本体３と略同一となるように縮小するので、カッタヘッド４は先導管本体３の外面（外周面）よりも外径側に突出せず、先導体本体３とカッタヘッド４等からなるユニット体Ｕの後方（埋設方向と反対方向）への引き抜きが可能となる。このため、リターン回収方式の推進機として使用することができる。しかも、カッタヘッド４は、先導管本体３の先端に、回転軸心Ｏ２が先導管本体３の軸心Ｏと略一致するように付設されるので、このカッタヘッド４の拡縮量は少なくて済み、拡縮機構の小型化を図って、小口径の掘削推進装置に対応させることができる。

次に、図７は他の実施の形態を示し、この場合、カッタヘッド４が拡縮しないものである。すなわち、この場合のカッタヘッド４は、基板３８の上面に多数のビット３９が付設されたものである。また、先導管本体３には、送泥管４０と排泥管４１とが挿通されている。そして、この場合も、先導管本体３の先端に、カッタヘッド４を回転軸心Ｏ２が先導管本体３の軸心Ｏと略一致するように付設され、カッタヘッド４を外筒２の先端から突出するように、先導管本体３を上記外筒２に対して偏心させた状態で収納している。

この場合の外筒２の前ケーシング５は、内径側膨出部５ａが中間部に形成され、この場合も、内径側膨出部５ａの肉厚を、曲線施工においてイン側となる部位をアウト側になる部位より薄くして、カッタヘッド４と先導管本体３等からなるユニット体Ｕを外筒２に嵌入させた際に、先導管本体３を上記外筒２に対してイン側に偏心させている。すなわち、ユニット体Ｕの軸心Ｏを外筒２の軸心Ｏ１に対して、イン側に所定の偏心量Ｓだけ偏心させている。

また、外筒２の先端縁部の外周面を先細テーパ部４２としている。すなわち、外筒２の前ケーシング５の先端部外周面が先端に向かって順次縮径するコーン状として、先細テーパ部４２を形成している。この場合、リターン回収方式でないので、図５と図６に示すように、推進力伝達部材３０ａ、３０ｂを径方向に移動（変位）させる必要がない。そのため、この場合の推進力伝達部材４３は、連結部材８に固定されて、先進管本体３の後端面４４に係止する。なお、図７において、上記図１等に示す装置と同一構成のものは同一符号を付してその説明を省略する。

このため、この図７に示す装置を使用しても上記図１に示す装置と同様に埋設管の敷設作業を行うことができる。すなわち、ユニット体Ｕの軸心Ｏが外筒２の軸心Ｏ１に対して、イン側に所定の偏心量Ｓだけ偏心した状態となっているので、曲線施工において、イン側の余堀量が不足せず、かつアウト側の余堀量が多くなり過ぎないようにすることができる。また、先導管本体３の先端に、回転軸心Ｏ２が先導管本体３の軸心Ｏと略一致するように付設されるものであるので、既存に直線掘削用の先導管本体３とカッタヘッド４等からなるユニット体Ｕをそのまま使用することができる。

さらに、外筒２の先端縁部の先細テーパ部４２にて、アウト側の余堀量を確保することができる。すなわち、アウト側の余堀量が不足することがなく、安定した掘削を行うことができる。また、先細テーパ部４２が掘削孔のアウト側の内面に押圧されることによって、この先端部において、曲率中心方向へのモーメントが発生する。このため、推進抵抗の増大を防止してなめらかな曲線施工を行うことができる。

以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、外筒２に対する先導管本体３の偏心量は、曲線施工時の曲率半径等に応じて任意に設定することができる。また、外筒２に対して先導管本体３を偏心させる場合、先導管本体３全体を偏心させても、先端部側のみを偏心させてもよい。なお、図１に示す掘削推進装置においても、外筒２の先端縁部の先細テーパ部４２を形成してもよい。さらに、上記実施形態では、曲線施工に用いた場合の説明であったが、もちろんこの掘削推進装置を直線施工に使用してもよい。

この発明の掘削推進装置の実施形態を示す断面側面図である。 上記掘削推進装置の引き戻し状態の要部拡大断面側面図である。 上記掘削推進装置のカッタヘッドの拡大状態の拡大正面図である。 上記掘削推進装置のカッタヘッドの縮小状態の拡大正面図である。 上記掘削推進装置の推進力伝達部材の係合状態を示す拡大図である。 上記掘削推進装置の推進力伝達部材の非係合状態を示す拡大図である。 この発明の掘削推進装置の他の実施形態を示す断面側面図である。 従来の掘削推進装置の断面側面図である。

符号の説明

１・・埋設管、２・・外筒、３・・先導筒本体、４・・カッタヘッド、１３・・カッタ駆動用モータ、４２・・先細テーパ部４２、Ｏ、Ｏ２・・軸心

Claims (4)

1. 地中に埋設管（１）を敷設するための掘削推進装置であって、カッタ駆動用モータ（１３）が内装されると共に、外径が上記埋設管（１）の外径よりも小さい先導管本体（３）と、上記先導管本体（３）の先端に、回転軸心（Ｏ２）が先導管本体（３）の軸心（Ｏ）と略一致するように付設されるカッタヘッド（４）と、外径が上記埋設管（１）の外径と略同一に設定されて、この埋設管（１）の先端に接続される外筒（２）とを備え、上記カッタヘッド（４）を上記外筒（２）の先端から突出させた状態で、かつ上記外筒（２）の前側に内径側膨出部（５ａ）を設け、上記内径側膨出部（５ａ）の肉厚を、曲線施工時においてイン側となる部分をアウト側となる部分よりも小さく設定することにより、先導管本体（３）を上記外筒（２）に対して偏心させた状態で収納したことを特徴とする掘削推進装置。
2. 上記カッタヘッド（４）の外径の拡縮を可能として、拡大時には埋設管（１）の敷設可能径に拡大すると共に、縮小時には少なくとも上記先導管本体（３）と略同一となるように縮小することを特徴とする請求項１の掘削推進装置。
3. 上記先導管本体（３）は、前胴（１０）と後胴（１１）を有し、後胴（１１）に対して前胴（１０）が揺動可能であり、上記外筒（２）は、前ケーシング（５）と後ケーシング（７）を有し、前ケーシング（５）と後ケーシング（７）との間に弾性部材からなる中間ケーシング（６）が介在されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２の掘削推進装置。
4. 上記外筒（２）の先端縁部の外周面を先細テーパ部（４２）としたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの掘削推進装置。